DE2138413A1 - Gas turbine engine - Google Patents
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Description
Tet 3044285 ¥/Vh-2775Tet 3044285 ¥ / Vh-2775
• 28.7.71• 7/28/71
General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.AcGeneral Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.Ac
GasturbinentriebwerkGas turbine engine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bestehend aus einem luftverdichter, einer Brennkammer, in der B ennstoff in der zugeleiteten verdichteten luft verbrannt wird, einer Turbine, in der die Brenngase auf einen niedrigen Druck unter Abgabe von leistung entspannt werden, und einem Drehspeicherwärmetauscher mit im wesentlichen zu seiner Drehachse parallelen ungedrosselten Gaskanälen im Speicherkörper und mit zwei voneinander getrennten, zur Drehachse parallel verlaufenden Strömungswegen, von denen der erste zwischen dem Verdichter und der Brennkammer und der zweite zwischen dem Abgasauslass der Turbine und der Atmosphäre liegt.The invention relates to a gas turbine engine, consisting of an air compressor, a combustion chamber, in which fuel is burned in the compressed air supplied, a turbine in which the combustion gases are generated a low pressure with delivery of power, and a rotary storage heat exchanger with essentially unthrottled gas channels in the accumulator body parallel to its axis of rotation and with two separated from each other to the axis of rotation parallel flow paths, the first of which is between the compressor and the combustion chamber and the second lies between the exhaust gas outlet of the turbine and the atmosphere.
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Da die Abgase derartiger Gasturbinentriebwerke Anteile von schädlichen Bestandteilen wie Kohlenoxid und <·^- verbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide enthalten, ist es erwünscht, die Abgase zu behandeln, um diese schädlichen Bestandteile zu beseitigen. Eine besonders wirksame und zuverlässige Beseitigung der schädlichen Bestandteile kann durch eine katalytische Behandlung der Abgase erfolgen, bei der die Abgase mit einem katalytischen Material in Verbindung gebracht werden, das die Oxidation von Kohlenoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser und/oder die Reduktion der Stickoxide in Sauerstoff und Stickstoff bewirkt, ©asturbinentriebwerke sind jedoch besonders empfindlich auf den Gasdruck und die Temperaturen sowie den Gegendruck am Auslass, so dass übliche katalytische Geräte, wie sie bei Brennkraftmaschinen ausserhalb der Maschine verwendet werden, für Gasturbinentriebwerke nicht geeignet sind, da sie einen 'ibermässigen Gegendruck am Auslass bewirken. A s exhaust gases such gas turbine engines proportions of harmful components such as carbon monoxide and <· ^ - unburned hydrocarbons and nitrogen oxides contained, it is desirable to treat the exhaust gases to eliminate these harmful ingredients. A particularly effective and reliable elimination of the harmful components can take place through a catalytic treatment of the exhaust gases, in which the exhaust gases are brought into connection with a catalytic material that causes the oxidation of carbon oxide and unburned hydrocarbons to carbon dioxide and water and / or the reduction of nitrogen oxides in oxygen and nitrogen, © asturbinentriebwerke are particularly sensitive to the gas pressure and the temperatures as well as the back pressure at the outlet, so that conventional catalytic devices, such as those used in internal combustion engines outside the machine, are not suitable for gas turbine engines, as they are a ' Create excessive counter pressure at the outlet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kataljstische Behandlung der Abgase eines Gasturbinentriebwerks mit Hilfe bestehender Bauteile des Triebwerks durchzuführen und eine zuverlässige und verhältnismässig billige katalytische Behandlung der Abgase zu bewirken, ohne dass der Gegendruck am Auslass der Turbine erhöht wird oder die Betriebsfiihrung ungünstig beeinflusst wird.The object of the invention is to provide a catalistic treatment of the exhaust gases from a gas turbine engine to carry out with the help of existing components of the engine and a reliable and relatively cheap catalytic To effect treatment of the exhaust gases without increasing the back pressure at the outlet of the turbine or the operational management is adversely affected.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass "bei einem Gasturbinentriebwerk der eingangs erwähnten Art der Speicherkörper katalytisches Material enthält, das im Bereich des zweiten Strömungsweges den Abgasen der Turbine ausgesetzt die Reaktion schädlicher Bestandteile der Abgase in unschädliche Gase bewirkt, wobei die Reaktionswärme zusammen mit der fühlbaren Wärme aus den Abgasen in den Speicherkörper übergeführt wird, der beim Durchlauf durch den ersten-Strömungsweg die gespeicherte Wärme an die zur Brennkammer strömende Luft abgibt.This object is achieved according to the invention in that "in the case of a gas turbine engine, the one mentioned at the beginning Type of storage body contains catalytic material, which in the area of the second flow path, the exhaust gases of the turbine exposed causing the reaction of harmful components of the exhaust gases in harmless gases, whereby the heat of reaction together with the sensible heat from the exhaust gases is transferred into the storage body, which, when passing through the first flow path, transfers the stored heat to the heat flowing to the combustion chamber Gives off air.
Hach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Speicherkörper ein dünnwandiger wabenförmiger Körper aus keramisch- miteinander verbundenen, abwechselnd flachen und gewellten Scheiben aus keramischem Werkstoff besteht und die Scheiben Träger für das fcatalyijtsche Material sind.A further feature of the invention provides that the storage body is a thin-walled honeycomb Body made of ceramic interconnected, alternating flat and corrugated discs made of ceramic material consists and the disks carrier for the fcatalyijtsche Material are.
In der Zeichnung ist ein AusführungsbeispielIn the drawing is an exemplary embodiment
eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung in schematiBoher: Weise dargestellt. In der Zeichnung istof a gas turbine engine according to the invention in schematic form: Way presented. In the drawing is
Pig. leine schematische Darstellung des Gasturbinentriebwerks mit einem Schnitt durch die Drehachse eines in dem Triebwerk enthaltenen Drehspeicherwärmetauschers,Pig. a schematic representation of the gas turbine engine with a section through the axis of rotation of a rotary storage heat exchanger contained in the engine,
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Ig. 2 eine vergrösserte Ansicht auf einen TeilIg. 2 shows an enlarged view of a part
des Speicherkörpers des Drehspeicherwärmetauschers und the storage body of the rotary storage heat exchanger and
ig. 3 ein vergrösserter Ausschnitt aus Pig. I.ig. 3 an enlarged section from Pig. I.
Wie Pig. 1 zeigt, tritt kalte Aussenluft in einenLike Pig. 1 shows, cold outside air enters one
" Verdichter 10 ein, inpem ihr Druck erhöht wird. Die verdichtete Luft strömt durch eine Leitung 12 in einen Drehspeicherwärmetauscher 14, intiem sie erhitzt wird, wenn sie durch einen Speicherkörper 16 hindurchtritt, der zwischen Wänden 18 ungedrosselte G-askanäle 20 enthält. Von dem in noch zu beschreibender Weise erhitzten Speicherkörper wird auf die durchströmende verdichtete Luft Wärme übertragen, die dann einer Brennkammer 22 zugeleitet wird, in der Brennstoff verbrannt wird, um die Temperatur unter Bildung von Brenngasen weiter zu erhöhen. Die heissen verdichteten Brenngase treten dann in eine Turbine, in der sie auf einen niedrigeren Druck unter Abgabe von Leistung entspannt werden. Im Ausführungsbeispiel sind zwei hintereinander geschaltete Turbinen T-, und T2 verwendet, von denen die Turbine T-, den Verdichter 10 über eine Verdichterwelle 24 antreibt, während die Turbine T2 die Arbeitsturbine ist, die ihre Leistung über eine Ausgangswelle 25 abgibt. Das aus den Turbinen austretende Abgas wird durch eine Leitung 26 zum Drehspeicherwärmetauscher 14 geleitet, in dem ein wesentlicher Anteil der Wärme bei Durchstrom durch den verhältnismässig kalten Speicherkörper 16 abgegeben wird. Die Abgase werden"Compressor 10, inpem its pressure is increased. The compressed air flows through a line 12 into a rotary storage heat exchanger 14, in which it is heated when it passes through a storage body 16 which contains unthrottled gas ducts 20 between walls 18 In a manner to be described, heat is transferred to the compressed air flowing through, which is then fed to a combustion chamber 22, in which fuel is burned in order to further increase the temperature with the formation of fuel gases. The hot, compressed fuel gases then enter a turbine , in which they are expanded to a lower pressure with the output of power. In the exemplary embodiment, two turbines T 1 and T 2 connected in series are used, of which the turbine T 1 drives the compressor 10 via a compressor shaft 24, while the turbine T 2 is the power turbine that emits its power via an output shaft 25. That from the turbines Exiting exhaust gas is passed through a line 26 to the rotary storage heat exchanger 14, in which a substantial proportion of the heat is given off when flowing through the relatively cold storage body 16. The exhaust will be
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dann in die Atmosphäre abgeleitet.then discharged into the atmosphere.
Wie J1Ig. 1 zeigt, hat der Drehspeicherwärmetauscher 14 ein im wesentlichen trommeiförmiges Gehäuse 28, das den ringförmigen Speicherkörper 16 umsch^liesst. Durch die dünnen Wände sind sehr kleine ungedrosselte Gaskanäle 20, die in den ■ Pig. 1 und 3 übertrieben gross dargestellt sind, vorgesehen, die sich zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen 30a und 30b des Speichärkörpers im wesentlichen parallel zur Drehachse des Drehspeicherkörpers erstrecken. Der Drehspeicherkörper ist um eine Antriebswelle 32 drehbar, die in Lagern in einer Nabe 34 des Gehäuses 28 abgestützt ist und mittels eines Armkreuzes 36 in nicht dargestellter Weise den Speicherkörper 16 langsam dreht. Der Speicherkörper 16 hat vorzugsweise einen nicht porösen inneren Mantel 38 und einen nicht porösen äusseren Mantel 40. Ein im wesentlichen hylindrischer Raum 42 ist im Inneren des Speicherkörpers gebildet, während sich ein ringförmiger Raum 44 rings um den Umfang des Speicherkörpers inner- ■ halb des Gehäuses 28 befindet. Ein Einlaßstutzen 46 für kalte verdichtete Luft, die vom Verdichter 10 kommt, ist an der einen [ Like J 1 Ig. 1 shows, the rotary storage heat exchanger 14 has an essentially drum-shaped housing 28 which encloses the annular storage body 16. The thin walls are very small, unthrottled gas channels 20, which are in the ■ Pig. 1 and 3 are shown exaggeratedly large, which extend between the opposite end faces 30a and 30b of the storage body essentially parallel to the axis of rotation of the rotary storage body. The rotary storage body can be rotated about a drive shaft 32 which is supported in bearings in a hub 34 of the housing 28 and slowly rotates the storage body 16 by means of a spider 36 in a manner not shown. The storage body 16 preferably has a non-porous inner shell 38 and a non-porous outer shell 40. A substantially cylindrical space 42 is formed in the interior of the storage body, while an annular space 44 extends around the circumference of the storage body inside the housing 28 is located. An inlet port 46 for cold compressed air coming from the compressor 10 is at one [
Stirnfläche des Gehäuses 28 vorgesehen, dem gegenüber ein Aus- ! laßstutzen 48 für erhitzte Verdichterluft an der anderen Stirnfläche des Speicherkörpers gegenüberliegt. Die heissen entspannten Abgase der !Turbinen gelangen zu einem Einlaßstutzen 50 ,End face of the housing 28 is provided, on the opposite side of an out! Let nozzle 48 for heated compressor air on the other end face of the storage body is opposite. The hot, relaxed ones Exhaust gases from the turbines reach an inlet port 50,
I an der einen Stirnfläche des Drehspeicherwärmetauschers 14 und ;I on one end face of the rotary storage heat exchanger 14 and;
treten nach Durchströmen des Speioherkörpers auf der entgegen- joccur after flowing through the reservoir body on the opposite j
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gesetzen Stirnfläche durch einen Austrittsstutzen 52 aus. Die hierdurch gebildeten beiden Störmungswege werden von den Gasen im Gegenstrom durchströmt. Die beiden Strömungswege werden durch eine Dichtung 54 voneinander getrennt, die zwischen den Stirnflächen des Speicherkörpers und dem Gehäuse in Reibanlage sind, wenn der Drehspeicherkörper umläuft, so dass leckageη zwischen beiden Strömungswegen auf ein Mindestmass begrenzt sind. Während des Betriebes wird die Dichtung durch den Differenzdruck der Gase zwischen den Strömungswegen dauernd in Reibanlage gegen den umlaufenden Speicherkörper gehalten.set end face through an outlet nozzle 52. the The two disruptive paths formed in this way are traversed by the gases in countercurrent. The two flow paths are separated from one another by a seal 54, which are in friction contact between the end faces of the storage body and the housing are when the rotary storage body rotates so that leakageη between the two flow paths is limited to a minimum are. During operation, the seal is permanently closed by the differential pressure of the gases between the flow paths Friction system held against the rotating accumulator.
Während des Betriebes dreht sich der Speicherkörper 16 und tritt abwechselnd durch die beiden S'trÖmungswege, wobei beim Durchlauf durch den zweiten Strömungsweg Wärme von den Abgasen aufgenommen und gespeichert wird, die beim Durchlauf des Speicherkörpers durch den ersten Strömungsweg an die verdichtete kalte luft abgegeben wird. Durch diese Arbeitsweise tritt in dem Drbhspeicherwärmetauscher ein dauernder Wärmestrom ein und es ist daher erforderlich, dass der Werkstoff für den Speicherkörper entsprechende Eigenschaften aufweisen muss. Zu diesen gehören eine hohe Betriebstemperatur, eine kleine Wärmedehnungszahl, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, um Wärmeableitung parallel zu den Strömungswegen zu verringern, und eine auf die Drehzahl des Speicherkörpers und die Betriebsbedingungen des Triebwerks abgestimmte spezifische Wärme.During operation, the storage body 16 rotates and passes alternately through the two S'trÖmungswege, wherein When passing through the second flow path, heat from the exhaust gases is absorbed and stored, which when passing through of the storage body is released through the first flow path to the compressed cold air. Through this way of working occurs in the Drbhspeicherwärmetauschers a continuous heat flow and it is therefore necessary that the material for the Storage body must have appropriate properties. to These include a high operating temperature, a low coefficient of thermal expansion, a low thermal conductivity, and heat dissipation parallel to the flow paths, and one to the speed of the accumulator and the operating conditions of the Specific heat matched to the engine.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherkörper aus keramischem Werkstoff ver-In a preferred embodiment of the invention, a storage body made of ceramic material is
ist
•wendet. Hierfür/ein von der Corning Glass Works, Corning,
New York, unter dem Warenzeichen "Cercor" gehandelter Werkstoff
geeignet, von dem folgende Angaben gemacht werden: Maximale Betriebstemperatur 10930C, linearer Warmedehnungskoeffizient
bei 25 bis 427 0C -1 χ ΙΟ"7 , Wärmeleitfähigkeit
0,721 Jm/m s C und eine mittlere spezifische Wärme bei 25 bis 4270C von 0,24. Dieser Werkstoff ist in honigwabenähnlicher
Struktur verfügbar und weist sehr dünne Wände auf, so dass ein sehr schneller Wärmeübergang zu einem Strömungsmittel
gegeben ist. WiePig. 2 zeigt, besteht das wabenartige G-efüge aus abwechselnden Schichten von ebenen Scheiben 56 aus
keramischem Werkstoff und gewellten Scheiben 58 aus keramischem Werkstoff, die durch Brennen bei erhöhter Temperatur
keramisch miteinander verbunden sind, und zata-lreiche sehr
kleine G-askanäle 20 (!ig. 1 bis 3) enthalten, die sich parallel
zur Drehachse des Speicherkörpers 16 erstrecken. Typische Strukturen der erwähnten Art haben eine offene Stirnfläche von ;
mehr als 70$ und eine Wandstärke von etwa 0,125 mm. ferner
beträgt die Oberfläche mehr als 3300 m /m und es können 55 bis 155 Zellen je cm gebildet werden. is
• turns. Suitable for this / a material traded by Corning Glass Works, Corning, New York, under the trademark "Cercor", of which the following information is given: Maximum operating temperature 1093 0 C, linear thermal expansion coefficient at 25 to 427 0 C -1 χ ΙΟ " 7, thermal conductivity of 0.721 Jm / ms C and an average specific heat at 25-427 0 C of 0.24. This material is available in honeycomb-like structure and has very thin walls, so that a very rapid heat transfer is added to a fluid. As shown in Fig. 2, the honeycomb-like G-structure consists of alternating layers of flat disks 56 made of ceramic material and corrugated disks 58 made of ceramic material, which are ceramic-bonded to one another by firing at an elevated temperature, and numerous, very small G-ach channels 20 (! ig. 1 to 3) which extend parallel to the axis of rotation of the storage body 16. Typical structures of the type mentioned have an open end face che of; more than $ 70 and a wall thickness of about 0.125mm. furthermore, the surface is more than 3300 m / m and 55 to 155 cells per cm can be formed.
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E findungsgemäss ist der Speicherkörper mit einem katalytischer! Material versehen, das von den durch den Speicherkörper hindurchtretenden Abgasen berührt wird und die katalytische Behandlung der Abgase bewirkt. Das katalytische Material kann in dem Speicherkörper in verschiedener Weise enthalten sein. So kann der keramische Werkstoff des Speicherkörpers mit dem katalytischen Material getränkt sein, wobei das Tränken bei der Bildung der Wabenstruktur oder auch danach erfolgen kann. In abgewandelter Weise kann der katalytische Werkstoff ein überzug an der Oberfläche der Wände des Speicherkörpers sein, wie dies Pig. 3 veranschaulicht, wobei ein Überzug 60 aus katalytischem Werkstoff an den Wänden 18 der Gaskanäle haftet, so dass die durch die Gaskanäle 20 strömenden Abgase mit dem katalytischen Werkstoff in Berührung kommen. In jedem Falle sind die Wände des Speicherkörpers Sräger für den katalytischen Werkstoff neben ihrer Eigenschaft als Wärmetauschmaterial. Werden metallische Wärmetauscher verwendet, so ist es notwendig, eine dünne Schicht,beispielsweise aus Aluminiumoxid,auf der Metalloberfläche aufzubringen, um einen Träger für den kataly±ischen Werkstoff zu schaffen. In diesem Falle kann das Aluminiumoxid mit dem katalytischen Werkstoff getränkt sein oder als Träger für einen aufgebrachten Überzug aus dem katalytischen Werkstoff wirken.According to the invention, the storage body is equipped with a catalytic! Material provided by the through the storage body passing exhaust gases is touched and the catalytic Treatment of the exhaust gases causes. The catalytic material can be contained in the storage body in various ways. So can the ceramic material of the storage body be impregnated with the catalytic material, the impregnation can take place during the formation of the honeycomb structure or afterwards. In a modified way, the catalytic material be a coating on the surface of the walls of the storage body, like Pig. 3 illustrates a coating 60 made of catalytic material adheres to the walls 18 of the gas channels, so that the exhaust gases flowing through the gas channels 20 come into contact with the catalytic material. In each Trap, the walls of the storage body are carriers for the catalytic Material in addition to its properties as a heat exchange material. If metallic heat exchangers are used, then it is necessary to apply a thin layer, for example of aluminum oxide to apply the metal surface in order to create a carrier for the catalytic material. In this case the aluminum oxide can be impregnated with the catalytic material or as a carrier for an applied coating from the catalytic material act.
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Die Erfindung ist nicht auf die verwendung
eines "besonderen katalytischen Werkstoffes "beschränkt, da
jeder katalytische Werkstoff geeignet ist, der eine Oxidation
und/oder Reduktion für die erfindungsgemässen Zwecke "bewirkt.
Geeignet sind "beispielsweise Edelmetall-Katalysatoren aus
Plati^n und Palladium oder Katalysatoren aus MetalloxidenThe invention is not to use
a "special catalytic material" limited because
any catalytic material is suitable that is subject to oxidation
and / or reduction for the purposes of the invention "causes.
For example, noble metal catalysts are suitable
Plati ^ n and palladium or catalysts made from metal oxides
wie Kupferoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Eisenoxid, Chromoxid
und Manganoxid und deren Mischungen, die über längere Zeitläufte "bei erhöhten Temperaturen, wie sie in Gasturbinentriebwerken
auftreten, wirksam sind.such as copper oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, chromium oxide
and manganese oxide and mixtures thereof, which are effective for extended periods of time "at elevated temperatures such as those encountered in gas turbine engines.
Es ist bekannt, dass die Oxidation von Kohlenoxid
und unverbrannten Kohlenwasserstoffen stark exotherme Reaktionen; sind, wobei die Reaktionswärme von den Temperaturbedingungen
und der Abgaszusammensetzung nach den Gesetzen der chemischen
Kinetik abhängen. Bei der durch die Berührung der Abgase mit
dem katalytischen Werkstoff ausgelösten Reaktion wird daher eine erhebliche Wärmemenge frei. Diese Wärme wird zusätzlich zu der !
frühlbaren aus den Abgasen aufgenommenen Wärme in dem Speicher- I körper gespeichert und wird daher für das Aufheizen der verdich-'
teten Luft nutzbar gemacht, so dass diese auf eine höhere Tempe-It is known that the oxidation of carbon oxide
and unburned hydrocarbons are highly exothermic reactions; are, where the heat of reaction depends on the temperature conditions
and the exhaust gas composition according to the laws of chemical
Depend on kinetics. When by touching the exhaust with
The reaction triggered by the catalytic material therefore releases a considerable amount of heat. This warmth is in addition to the ! Perceptible heat absorbed from the exhaust gases is stored in the storage body and is therefore made usable for heating the compressed air, so that it can be heated to a higher temperature.
i ratur erwärmt wird als üblicherweise möglich ist. Der Brenn- j
stoffverbrauch für das Erwärmen der verdichteten Luft in der ,
Brennkammer wird damit verringert, so dass sich ausser der Be handlung der Abgase eine Verbesserung des Wirkungsgrades des
Triebwerks ergibt.temperature is heated than is usually possible. The fuel consumption for heating the compressed air in the combustion chamber is thus reduced, so that, in addition to the treatment of the exhaust gases, there is an improvement in the efficiency of the
Engine results.
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Claims (2)
dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkörper (16) ein
dünnwandiger wabenförmiger Körper aus keramisch miteinander verbundenen, abwechselnd flachen und gewellten Scheiben (56 bzw. 58) aus keramischem Werkstoff besteht und die Scheiben Träger für das katalytische Material (60) sind.2. gas turbine engine according to claim 1,
characterized in that the storage body (16) is a
thin-walled honeycomb body consisting of ceramic interconnected, alternating flat and corrugated disks (56 and 58) made of ceramic material and the disks are carriers for the catalytic material (60).
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